Введение к работе
Актуальность работы. Современные автомобильные транспортные средства содержат большое количество различных электромеханических приводов (порядка 150), включая электродвигатели и электромагнитные приводы (ЭМП), управляющих механизмами автомобиля, обеспечивающих функциональное качество, комфорт, безопасность, уменьшающих потребление топлива и т.д. В дополнение к минимальному потреблению энергии они должны обладать минимальной массой, высокой надежностью, требуемым быстродействием и иметь хорошую управляемость.
Динамические характеристики ЭМП при воздействии вибраций обычно определяются экспериментальным путем. Несмотря на то, что этот метод проверки виброустойчивости ЭМП наиболее достоверен, он все же представляется недостаточным, так как определяемые экспериментально динамические характеристики часто оказываются весьма далекими от истинных характеристик. Поэтому специалистов интересуют методы проектирования ЭМП, которые раскрывают функциональную зависимость конструктивных параметров ЭМП при внешних вибрационных воздействиях (ВВВ) и дают возможность оценить виброустойчивость электромагнитного привода. Разработка методов проектирования электромагнитных приводов, математических моделей, описывающих динамику ЭМП с учетом внешних вибрационных воздействий, позволит на стадии проектирования выбрать оптимальные конструктивные параметры отдельных деталей и узлов ЭМП, что сократит сроки проектирования, объем экспериментальных работ и повысит технико-экономические показатели ЭМП.
Работа соответствует научному направлению ЮРГТУ (НПИ) на 2011 -2015 гг. «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы», утвержденному протоколом №6 от 26 января 2011 г.
Целью диссертационной работы является разработка методов проектирования электромагнитных приводов с учетом внешних вибрационных воздействий, обобщенных математических моделей ЭМП, комплекса алгоритмов и программ.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи.
Разработка методики проектирования ЭМП с учетом внешних вибрационных воздействий исходя из условий заданного времени срабатывания и минимальной скорости в конце хода якоря ЭМП.
Разработка математических моделей для выполнения проектных расчетов и исследования переходных электромагнитных процессов в электромагнитных приводах с учетом внешних вибрационных воздействий на основе теории цепей.
Разработка математических моделей для выполнения поверочных электромагнитных и тепловых расчетов электромагнитных приводов с учетом внешних вибрационных воздействий на основе теории поля.
Разработка обобщенных математических моделей для исследования динамики электромагнитных приводов и определения динамических характеристик электромагнитов с учетом внешних вибрационных воздействий.
Исследование на основе численных экспериментов влияния различных
параметров ВВВ на динамические характеристики электромагнитных приводов. Формирование практических рекомендаций по усовершенствованию конструкций ЭМП.
6. Подтверждение теоретических результатов экспериментальными данными.
Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы теории электрических и магнитных цепей, методы теории поля, численные и аналитические методы решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений. Экспериментальное исследование опытных образцов проводилось с использованием программно-аппаратного комплекса на базе ПК.
Научная новизна.
Разработана методика проектирования ЭМП, отличающаяся от известных тем, что учитывает влияние внешних вибрационных воздействий на ЭМП, позволяющая получить оптимальные соотношения между параметрами ЭМП блокировки выбора линии заднего хода автомобиля исходя из условий заданного времени срабатывания и минимальной скорости в конце хода якоря ЭМП при воздействии вибрационных нагрузок.
Разработана математическая модель и алгоритмы для выполнения проектных оптимизационных расчетов, основанная на методах теории электрических и магнитных цепей и отличающаяся от известных тем, что учитывает влияние внешних вибрационных нагрузок на электромагнитный привод.
Предложенная модель относится к первому уровню проектирования, не ограничена по диапазону изменения соотношений геометрических размеров и позволяет дать количественную оценку различным типам электромагнитов при необходимости сравнения их друг с другом.
3. Разработаны математические модели и алгоритмы для расчета статиче
ских и динамических характеристик ЭМП с учетом влияния вибрационных на
грузок, основанные на методах теории электромагнитного и теплового поля.
Предложенные модели относятся ко второму уровню проектирования, не ограничены по диапазону изменения соотношений геометрических размеров и позволяют дать количественную оценку различным типам электромагнитов при необходимости сравнения их друг с другом.
4. Качественно и количественно установлено влияние вибрационных на
грузок на время срабатывания и скорость в конце хода якоря ЭМП различных
конструкций.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей, применением традиционных методологических принципов современной науки для их исследования, использованием метрологически аттестованного оборудования для проведения экспериментов, приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
1. Разработаны методики, алгоритмы и соответствующее программное обеспечение для анализа электромагнитных и механических процессов, протекающих в ЭМП с учетом внешних вибрационных воздействий.
На основании результатов исследований спроектированы и практически реализованы опытные образцы ЭМП электроблокировки выбора линии заднего хода автомобиля, проведены предварительные испытания в лаборатории НТЦ ОАО «АВТОВАЗ», г.Тольятти, окончательные - в лаборатории НИИ Электромеханики ЮРГТУ(НПИ), г.Новочеркасск, с использованием разработанного автором программно-аппаратного комплекса.
На предложенные способы, программы и разработанные устройства получено 2 патента РФ, 1 свидетельство на полезные модели РФ и 2 свидетельства о регистрации программ.
Разработан и изготовлен автоматизированный стенд для экспериментальных исследований ЭМП с учетом вибрационных воздействий.
Внедрение работы. Теоретические и практические результаты работы использовались при разработке электромагнитного привода клапана газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания (ОАО "НПО "ТРАНС-КОМ", г. Москва), электромеханического привода для управления элеронами (ОАО «Азовский оптико-механический завод», г. Азов), автоматического захвата отцепляемого подвижного состава подвесной канатной дороги (ИКЦ "Мысль" НГТУ, г. Новочеркасск), электромагнитного привода с магнитным шунтом (ООО НЛП «МагнетикДон», г. Новочеркасск).
Основные положения, выносимые на защиту.
Методика проектного расчета ЭМП с учетом внешних вибрационных воздействий исходя из условий заданного времени срабатывания и минимальной скорости в конце хода якоря ЭМП.
Математические модели и комплекс программ для проектирования ЭМП с учетом внешних вибрационных воздействий.
Результаты математического моделирования ЭМП блокировки выбора линии заднего хода с учетом внешних вибрационных воздействий в заданном диапазоне частот.
Конструкции электромагнитных приводов блокировки выбора линии заднего хода.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV Международной научно-технической конференции, г. Новочеркасск, 17-19 июня 2003 г (ОАО «ВЭлНИИ»); на Международном науч.-практ. коллоквиуме «Проблемы мехатроники» , г.Новочеркасск, 15-20 сентября 2003 г. (ЮРГТУ (НПИ)); на 50 Международном научном коллоквиуме Технический университет Ильменау, г.Ильменау (Германия), сентябрь 2005 г.; на 51 Международном научном коллоквиуме Технический университет Ильменау, г.Ильменау (Германия), сентябрь 2006 г; во время стажировки в г.Ильменау (Германия), на кафедре «Мехатроника» TUПтепаи; на Международной научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление - 2007», с. Дивноморское, 24-29 сентября 2007 г.; на ежегодных научно-технических конференциях ЮРГТУ (НПИ); на научных семинарах кафедр «Электрические, электронные аппараты» и «Измерительная и медицинская техника» ЮРГТУ(НПИ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, в том числе: 10 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и 15
тезисов докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях, получены 2 патента РФ, 1 свидетельство на полезную модель и 2 свидетельства о регистрации программ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 130 наименований и приложений. Общий объем работы 233 страницы, включая 50 страниц приложений и 111 иллюстраций.
Похожие диссертации на Методы и алгоритмы проектирования электромагнитных приводов с учетом внешних вибрационных воздействий
